系留气球的环境适应性设计

刘宗强　张博博

（中国航空工业第六○五研究所，湖北荆门　448035）

系留气球的环境适应性设计

刘宗强张博博

（中国航空工业第六○五研究所，湖北荆门448035）

本论文主要阐述的是系留气球环境适应性方面的主要设计方法，通过工程经验和使用需求状况，对系留气球在全寿命周期内所遇到的各类环境因素及其影响分析，确定相应的解决方案，并提供了工程设计中的各种设计措施；结合系留气球特点对环境适应性验证给出工程试验方法；结合实际工作给出系留气球环境适应性设计工作的工程建议。

系留气球环境适应性设计

1　系留气球简介

系留气球（见下图1）是一种依靠氦气产生浮力，由系留缆绳拖拽，进行定点、高空长时间运行的空中平台，具有浮力大、野外露天工作、任务周期长（超过24小时留空、有时还要求连续留空一个月）、任务范围广（机动式系留气球可广泛布置在我国大部分地区）、设备工作海拔高（气球升空高度多超过1000米，有的升空高度还超过3000米）等特点。

2　系留气球使用环境条件

2.1环境要素

结合GJB150和DO-160系列标准、系留气球受影响的环境要素和气球使用环境条件分析，系留气球使用环境要素主要有：温度、湿度、太阳辐射、霉菌、盐雾、降雨、砂尘、振动、冲击和风环境。

温度：囊体材料和电子产品对温度环境比较敏感，低温环境影响使用，高温环境影响寿命，我国的幅员辽阔，环境温度差较大，低温可达-50℃，高温可达60℃；

湿度：海边环境和潮湿环境中的环境湿度可达95%以上，对电子产品工作影响较大；

太阳辐射对以高分子为主材料的气囊、索具等产品可靠性、强度和寿命都有较大影响；

霉菌：我国东南部属于霉菌高影响区域，对电子产品和高分子材料产品影响较大；

盐雾：我国大部分地区高温高湿，以金属材料为主体的产品容易受到盐雾腐蚀而严重影响寿命；

降雨：系留气球电子系统应考虑降雨影响，避免降雨对其造成的电路损坏及高压电弧损坏等影响；

图1　系留气球

砂尘：在西部、北部高原地区应用的系留气球应充分处理好砂尘对产品的影响；

振动、冲击：产品本身如依靠油机工作，则需要考虑油机振动对油机附近产品的影响；如依靠地面供电，则仅需要考虑运输振动的影响；冲击环境一般仅发生在运输状态和搬放状态中，影响较小；

风环境：风环境对系留气球产品影响较大，应利用安全性分析和设计方法加以重点分析与研究。

2.2应力条件

系留气球的应力条件应考虑其具体的或预期的使用环境加以分析，分析过程应包含生产、运输、使用及维护的所有过程。

3　环境适应性设计

3.1设计原则

环境适应性设计首先应综合考虑所设计产品可能经受的各种环境要素及其分布与强度，采用有效措施（含防护体系设计、材料优选、工艺等）降低产品使用环境要素的强度、提高产品固有抗环境损伤的能力，满足环境适应性要求。

逐级明确防护对象和防护等级：按从大到小的顺序，即从系统、设备、单元、零部件、模块、元器件到材料逐级明确防护对象和防护等级。

涂覆有效的防护体系：应通过试验和/或使用经验评定防护体系的有效性，包括与基体材料、工艺的相容性、结合力、有效期等。

权衡各种环境要素的不利影响：一种环境因素可能产生多种不利影响；一种不利效应也可能是多种环境要素的协同作用的结果，设计时应予以权衡考虑。

3.2温度适应性设计

应考虑环境温度、区域温升和产品发热三个方面的影响，综合考虑选用材料、工艺方案及产品选型。

3.3湿度适应性设计

高湿环境中工作的系留气球应考虑密闭机箱设计。

优先选择耐潮的材料及产品。

防潮处理可选用憎水处理、浸渍处理、灌封处理、密封处理、表面涂覆处理、使用防潮剂处理等方式。

为了防止运输过程中受潮，应采取防潮包装。

3.4太阳辐射适应性设计

气囊表面必需经过防辐射处理，防辐射能力应达到GJB150.7A《军用装备实验室环境试验方法第7部分：太阳辐射试验》要求。选用高分子系留缆绳产品，其防辐射设计要求应不低于气囊。

3.5霉菌环境适应性设计

············对于任何与空气接触的电路板与高分子材料等，应考虑霉菌适应性设计。

在不影响设备性能的前提下，电子设备应采用气密式外壳结构，内部空气应干燥清洁，相对湿度低于60%；气密性外壳的技术要求和检验应符合国家标准与产品规范的有关规定。

材料选择应首选防霉材料，高分子材料（如塑料、合成橡胶、胶粘剂、涂料等）中的填料、增塑剂的选择，应尽量选用防霉的无机填料及其它耐霉助剂；热固性塑料应完全固化，以提高其防霉性。

防霉包装可以考虑密封包装及干燥剂包装。

3.6盐雾环境适应性设计

对于盐雾敏感的小型产品，架构上一般要求采用密封式结构。密封设计优先顺序为：（1）模块单元进行单独密封；（2）插箱、分机局部密封；（3）机箱或插箱整体密封。进行气密式设计时，容器应采用永久性熔焊气密结构，局部采用密封圈密封，密封圈应选用永久变形小的硅橡胶“O”型圈。

对于大容积的构件，应避免气密式设计，可考虑镀层、内部密封等方式防腐蚀。

应避免异种金属直接接触，以防电偶腐蚀；不可避免时，应采用隔离措施或选用电位接近的、相容性较大的金属；并采用下列一种或几种防护措施：（1）选用与两者都允许接触的金属或镀层进行调整过渡；（2）活动部位涂润滑油，不活动部位涂漆；（3）用惰性材料绝缘；（4）密封。

3.7降雨、砂尘适应性设计

安装于球体外的设备，其精密部件应置于防尘罩内，防尘罩应能完全隔绝粉尘。保护罩（整流罩等）内的设备应具有一定抗砂尘能力，保护罩的设计应便于设备的清洁。

安装于球体外的设备，其防雨能力应满足降雨量的要求。球上设备的保护罩（整流罩等）应能保护内部设备不受降雨影响。地面设备应安装防雨罩或安装在设备舱、控制室内。

外部设备应避免水和砂尘的积聚，尽量消除缝隙结构。

3.8振动、冲击适应性设计

固有频率：电子系统的机柜（包括控制台）、分箱（包括单元）、组件/模块等各层次结构的固有频率应按二倍频的规则设计。当工程实施确有困难时，可最小不低于1.5。机柜（包括控制台）的固有频率可设计在30Hz～70Hz之间，并且尽量往30Hz的低端设计。分箱（包括单元）、组件/模块按二倍频或1.5倍频的固有频率往上设计。

隔振缓冲装置设计：电子设设备的隔振缓冲装置应同时具有隔振和缓冲两种功能。

支承平台的刚度中心应与电子设备的质量中心重合，以去除耦联振动的有害影响。

机柜（包括控制台）应采用背架式隔振缓冲系统，其中背架隔振器是非承载隔振器，其刚度阻尼特性在水平面内，应对称于原点（平衡位置），并应注意它与底部隔振器的刚度位移量等的匹配。

4　环境试验验证

由于系留气球属于大型设备，无法进行实验室试验，目前系留气球的环境试验一般参考GJB150或DO-160系列标准以及产品特有的环境试验规范实施，以主要设备的环境适应性水平评估整套系统适应性，并在温度、湿度、太阳辐射等方面结合外场试验数据进行分析得到产品的最终环境适应性能力。

实验室环境试验可以参考《系留气球环境适应性研究》（航空标准化与质量，2012年第2期）。

5　工程建议

系留气球环境适应性工作关系到产品的可靠性、安全性和使用寿命，对产品的综合应用有着极为重要的影响，最好环境适应性工作，不但需要学习了解标准，更需要研究产品特性和敏感要素，并结合内、外场试验分析，将分析研究结果逐步反映到设计中，才能逐步提升产品环境适应能力，降低使用风险。

［1］GJB150军用设备环境试验方法［S］.

［2］孙帆.刘宗强.系留气球环境适应性研究［J］.航空标准化与质量，201 2.

刘宗强（1982—），男，湖北荆门人，工程师，毕业于哈尔滨工程大学工业设计专业，现在中国航空工业第605研究所可靠性研究室工作，主要从事可靠性、安全性和环境适应性的技术研究；张博博（1988—），男，陕西渭南人，工程师，毕业于西北工业大学飞行器动力专业，现在中国航空工业第605研究所可靠性研究室工作，主要从事可靠性的技术研究。